海上無人機搜救技術(shù)研究

朱武斌

摘要：無人機對海上船舶搜救發(fā)揮著重要作用，具有高視角、強靈活性、快速高效等優(yōu)勢，本文對無人機的的目標識別定位、機載通信以及海圖坐標轉(zhuǎn)換進行了研究和探討，提出了利用射影交比不變性原理對無人機進行海上目標定位，結(jié)合ECDIS和AIS顯示系統(tǒng)對船舶進行搜救，在近海實驗表明，無人機在不同高度其定位精度保持0.2%以內(nèi)，與AIS定位在海圖顯示系統(tǒng)GPS定位誤差很小，符合海上船舶搜救視覺范圍內(nèi)，有效的提高船舶搜救效率。

Abstract： UAVs play an important role in the search and rescue of marine vessels. They have the advantages of high viewing angle and strong flexibility， and are fast and efficient. This paper studies the target recognition and positioning， airborne communication and chart coordinate conversion of UAVs. This paper proposes to use the principle of projective ratio invariance to locate the target of the unmanned aerial vehicle. The ECDIS and AIS display system are used to search and rescue the ship. The offshore experiments show that the positioning accuracy of the drone is kept within 0.2% at different heights. Positioning with AIS in the chart display system GPS positioning error is very small， in line with the visual scope of the sea ship search and rescue， effectively improving the efficiency of ship search and rescue.

關(guān)鍵詞：無人機;船舶搜救;識別與定位;無線通信;坐標轉(zhuǎn)換

Key words： UAV;ship search and rescue;identification and location;wireless communication;coordinate transformation

中圖分類號：U675.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0161-03

0? 引言

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，海上活動不斷增加如海洋捕撈、近岸工程建設(shè)以及海洋測量等交織在一起，呈現(xiàn)出高密度、多元化趨勢，海上交通環(huán)境復(fù)雜多變，海難事故態(tài)勢高發(fā)，船舶間的碰撞危險系數(shù)增大。海上船舶搜救受氣候條件及水深的制約，搜尋效率和救助準確性低，而無人機快速、高效、便捷的搜救效率是船舶搜救的有效補充。

在智能裝備高速發(fā)展的今天，無人機逐漸從軍用轉(zhuǎn)型到民用，例如海上搜救、海事管理、海洋探測與測繪等領(lǐng)域，無人機的應(yīng)用在各方面都已得到高度認可，無人機搜救主要應(yīng)用在陸地領(lǐng)域，陸地定位具有目標明顯且信號傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢，海上搜救研究主要集中在目標智能識別、無人機微型傳感器的搭載、機載通信信號的穩(wěn)定傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)層面上，本文研究了搜救中的目標識別和定位，探討了無人機射影屏幕坐標、搜救中地理坐標以及墨卡托海圖坐標之間的轉(zhuǎn)換，重點研究了射影交比不變性解算海上目標坐標點，并對數(shù)據(jù)進行了分析，提高搜救的效率。

1? 無人機搜救技術(shù)研究

1.1 無人機目標智能識別

海上物標識別相比陸地環(huán)境復(fù)雜多變，受海況影響較大，搜救的關(guān)鍵是目標識別算法的準確性和實時性，選擇合適的識別方法和算法有利于提高搜索效率，在人工智能技術(shù)發(fā)展的今天，目前基于卷積云神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標識別方法有三種，包括R-CNN、yolo以及SSD系列等，三者在識別領(lǐng)域有著不同的區(qū)別如表1。

以上三種方法需要加速運算速度才能滿足海上作業(yè)要求，傳統(tǒng)的識別方法很難適應(yīng)海上物標，機器學(xué)習(xí)作為主要的識別方法可以滿足海洋大數(shù)據(jù)的處理，利用深度學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí)實現(xiàn)目標的快速檢索識別，夜間目標識別可搭載光電吊艙冷紅外傳感器目標進行探測，采集的紅外數(shù)據(jù)經(jīng)過船基或者岸基處理，實現(xiàn)夜間搜救識別和人員生命狀況探測。

1.2 無人機目標定位

無人機目標定位在陸地上是預(yù)先對固定區(qū)域進行信息采集，再基于特征匹配、坐標解算以及生成底圖來實現(xiàn)無人機目標定位，無人機在海洋水域定位則變得更為復(fù)雜，各傳感器信息采集過程干擾多并且數(shù)據(jù)粗糙精度低，利用基于射影幾何定理的視覺定位算法可以簡單、快速、較高精度解決目標定位問題。再通過坐標轉(zhuǎn)換進行海圖顯示。其基本思路是利用成像平面的已知坐標點和目標成像點，通過射影交比不變性解算海上目標坐標點。

目標定位過程中需要選取兩個計算平面——目標地理平面β和攝影成像平面β′，在海面上通過衛(wèi)星等手段獲取β平面內(nèi)兩直線De、Dm上已知坐標點，分別是（E1、E2、E3、M1、M2），對應(yīng)的β′平面內(nèi)兩直線De′、Dm′上已知圖像點為（E1′、E2′、E3′、M1′、M2′），通過已知點M1′、M2′與目標成像點O′相交于B2′、B1′，利用交比不變性獲得海面對應(yīng)交點B2、B1，再用β平面點直線相交得到目標點O，如圖1所示。

定位解算中數(shù)學(xué)表達式包括成像平面求交點B1′與B2′，射影交比變換以及目標定位O坐標的計算三部分，各部分函數(shù)關(guān)系式如下：

B1′（x，y）=F（M2′，O′，E3′，E1′）? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

B2′（x，y）=F（M1′，O′，E3′，E2′）? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

（B1′，E1′，E2′，E3′）= （3）

F（M2，B1，M1，B2）=O（x，y）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

聯(lián)合上面（1）～（5）式解算出目標點O的坐標。如果無人機定位GPS信號弱或者短暫消失，可以利用此方法反向自定位，實現(xiàn)反向定位。未來還可以利用AR技術(shù)，視頻與海圖進行三維重疊，協(xié)助搜救定位。

1.3 機載通信研究

通信作為搜救的橋梁，能夠?qū)崿F(xiàn)船-機、機-岸以及船-岸等溝通，通信設(shè)備通常包括：機載VHF、AIS、北斗以及高精度RTK等等。無人機作為海上船舶搜救裝備，近岸搜救可以通過機載VHF和AIS實現(xiàn)船基、岸基的短程通信，遠海搜救則利用北斗RDSS和RNSS集成或者高精度RTK模塊，實現(xiàn)定位和通信，并且可以利用機載VHF、AIS和視頻攝影進行海面的搜索，通過衛(wèi)星鏈路傳輸AIS數(shù)據(jù)，增大被困船舶AIS的發(fā)射范圍，利用接收的AIS數(shù)據(jù)信息建立最佳搜救通道，未來無人機還將參與海洋組網(wǎng)建設(shè)，連接衛(wèi)星數(shù)據(jù)、海洋觀測平臺以及海底智能觀測網(wǎng)等，為海洋搜救提供更多的數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)海洋立體搜索功能。

1.4 海圖坐標轉(zhuǎn)換

電子海圖（ECDIS）作為海上交通助航設(shè)備，在搜救指揮中發(fā)揮著重要作用，通過坐標轉(zhuǎn)換可以實現(xiàn)海上搜救目標在電子海圖上的顯示，海上船舶搜救采用的定位坐標是基于WGS-84坐標系統(tǒng)，電子海圖采用的是墨卡托投影，轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。還可將無人機位置進行顯示，輔助救助和無人機航線規(guī)劃。

在繪制海圖時將WGS84坐標通過投影正變換轉(zhuǎn)換成平面直角坐標系，相關(guān)轉(zhuǎn)換公式如下：

上式中x、y為墨卡托直角系坐標，？漬、？姿為大地坐標系經(jīng)緯度;？漬1、？姿1為墨卡托基準經(jīng)緯度。

r——基準緯度的緯線圈半徑;

N——橢球的卯酉圈曲率半經(jīng);

q——等量緯度;

e——橢球的第一偏心率，a、b為橢球的長短軸，

經(jīng)（1）～（4）聯(lián)合計算到（x，y）墨卡托投影坐標絕對值。由于海圖坐標原點不是零點，故可以通過簡單的坐標平移即可得到。海圖坐標到用戶屏幕的顯示需要通過坐標系和屏幕像素點坐標轉(zhuǎn)換，計算像素的實際距離進行轉(zhuǎn)換，考慮到參考系不同即可。

無人機在船舶搜救中結(jié)合電子海圖顯示，可以快速清晰的顯示船舶位置，并且可以通過已知搜索到的海圖顯示的AIS目標，經(jīng)過坐標反解確定海上目標坐標三維信息，在能見到度不良的海況下指導(dǎo)船舶救助，達到航線規(guī)劃的目的。

2? 近海實驗數(shù)據(jù)分析和驗證

在連云港港水域利用多旋翼無人機KWT-X6H為實驗平臺，搭載機載AIS、機載攝像機以及甚高頻中繼器等傳感器設(shè)備，對采集的數(shù)據(jù)經(jīng)實驗中心進行噪音濾除等處理，并對無人機定位實驗數(shù)據(jù)進行算法仿真，實驗結(jié)果和海圖顯示如表2、表3。

對實驗結(jié)果分析表明，無人機定位在同一海況不同高度情況下視覺自定位和反向定位具有很強的穩(wěn)定性，三次實驗數(shù)據(jù)表明定位誤差在0.2%以內(nèi)，高度越高定位精度越差，該方法能有效避免攝像機變焦導(dǎo)致的內(nèi)部參數(shù)變化，不需要不斷的執(zhí)行定位任務(wù)，在AIS和GPS信號中斷的情況下，可以利用射影交比不變性對目標進行定位或者反向定位，算法能夠?qū)崿F(xiàn)無人機對搜救船舶搜救的高效性，并且通過機載通信系統(tǒng)實時顯示目標的海圖位置信息，為搜救帶來極大的便利。

3? 結(jié)束語

本文對無人機搜救中的目標定位與識別進行了探討，利用坐標轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無人機、搜索目標以及用戶的位置交互，解決氣候原因?qū)е碌臒o人機視頻搜索效果差的難題，在近岸水域進行了實驗，取得了比較好的實驗效果，為船舶搜救提供了新的思路。

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